Окно видимого света
Интегрированный урок по теме “Фотосинтез” в 11-м классе
природе не бывает чисто физических, химических или биологических явлений. Все они протекают взаимосвязанно. Да и разделение наук о природе на физику, химию, биологию и географию тоже условно.
Часто в школах при организации методических обьединений учителей по предметам физику связывают с математикой. Бесспорно, математика помогает описывать законы физики количественно, является способом оформления физической теории. Но любому семикласснику известно, что физика – это одна из наук о природе, поэтому, на наш взгляд, логичнее было бы обьединить ее с другими науками о природе – химией, биологией и географией. Такая попытка была предпринята в нашей гимназии в 1992 году, когда появилось методобьединение учителей естественнонаучного цикла. В 1995 году произошло преобразование методобьединения в кафедру естественных наук.
Одним из направлений работы нашей кафедры является формирование у школьников знаний об окружающем нас мире комплексно, в единстве и гармонии. Мы, учителя кафедры, сталкиваемся на своих уроках с одними и теми же проблемами. Во-первых, некоторые вопросы, изучаемые на одном предмете, дублируются на другом – со своей точки зрения. Создается перегрузка учеников. Во-вторых, сведения, полученные на одном предмете (у одного учителя), дети с трудом могут применить на другом, т.к. считают, что химия изучает одно, а физика или биология – другое. Хотя фигурируют на этих уроках одни и те же фундаментальные законы природы.
Для решения данной проблемы есть хороший путь – интегрированные физико-химико-биолого-географические уроки. На них формируется целостная картина восприятия того или иного явления природы и хотя бы частичное освобождение учащихся от перегрузок. Лучше, если интегрированные уроки будут спаренными.
Урок такого типа можно разработать в 11-м классе по теме “Химическое действие света (на примере фотосинтеза)”. На наш взгляд, фотосинтез – наиболее наглядный пример процесса природы, обьединяющего в себе физические, биологические и химические явления. Урок ведут совместно три преподавателя (физик, химик и биолог). При подготовке урока нам очень помогла книга В.Р. Ильченко “Перекрестки физики, химии и биологии”.
осле краткого вступления, в котором формулируются цель и задачи урока – разобраться в сложных процессах действия света на молекулы и атомы вещества, – целесообразно перейти к рассмотрению фотохимических реакций как одному из проявлений взаимодействия света и вещества, при котором отчетливо проявляются квантовые свойства света. При этом очень эффектны демонстрации химических реакций водного раствора иодида калия, который желтеет на свету, и раствора сульфата железа и метиленовой синьки, голубой цвет которого исчезает в световом потоке, но быстро восстанавливается в темноте1.
Таким образом, свет, кроме электрического (фотоэффект) и механического (давление света), оказывает и химическое действие.
Далее можно сказать о том, что около 200 лет изучается явление фотосинтеза, но все еще исчерпывающего ответа не получено. Рекомендуется привести определение фотосинтеза, данное А.К.Тимирязевым: “Фотосинтез – процесс усвоения растениями углекислого газа из воздуха под действием света, сопровождающийся выделением кислорода”.
Участниками процесса являются: структурные образования (хлорофилл), вещества (углекислый газ, вода), условия (свет, ферменты), продукты (кислород, углеводы – источники энергии).
В таблице по биологии “Фотосинтез” приводится уравнение:
6CO2 + 12H2O -> C6H12O6 + 6H2O + 6O2
Необходимо акцентировать внимание ребят на том, что это всего лишь схематическое отражение сути процесса, а не реальное его протекание. Действительно, неужели достаточно подышать в сосуд с водой (СО2 + Н2О) на свету, чтобы получить в нем глюкозу (С6Н12О6)?
Фотосинтез происходит в зеленых пластидах – хлоропластах. У высших растений они имеют эллиптическую форму. В зависимости от освещенности листа хлоропласты меняют свое расположение, что защищает лист от перегрева.
Лист имеет зеленую окраску благодаря присутствию в его клетках хлорофилла – сложного органического соединения с атомом магния в центре молекулы. Поглощение света молекулой хлорофилла рассматриваем на квантовом уровне, ибо обьяснение процесса фотосинтеза стало возможным только с зарождением квантовой теории. Хлорофилл способен воспринимать свет. Для всех процессов ему достаточно энергии квантов красных лучей. Здесь можно задать вопрос “Почему?”. Ученики уже знают, что красные лучи обладают минимальной энергией, при которой происходят квантовые процессы (например, фотоэффект и его “красная граница”). Подтвердить это можно демонстрацией флюоресценции хлорофилловой вытяжки, а также жидкостей из набора по флюоресценции. Приготовить хлорофилловую вытяжку несложно: любые измельченные зеленые листья заливают спиртом или водкой. Через несколько дней раствор готов – в проходящих лучах он зеленый, а в отраженных – красный. Это и доказывает, что процессы в зеленом листе происходят при минимальной энергии – энергии “красных” фотонов. Таким образом, природа сама “знает”, сколько энергии ей достаточно для нормального течения процесса.
Далее рассматриваем процесс поглощения кванта света молекулой хлорофилла по схеме строения атома магния (планетарная модель) или по диаграмме энергетических уровней атома (теория Бора), а лучше параллельно, проводя аналогии.
Молекула хлорофилла поглощает фотон, при этом атом магния переходит на более высокий энергетический уровень (электрон удаляется от ядра), т.е. становится возбужденным. Можно обсудить с учащимися этот факт, т.е. почему электрон переходит на орбиту с большим радиусом. Для этого вспоминаем законы движения по окружности из механики.
Таких электронов в клетке столько, сколько фотонов поглотила молекула хлорофилла (процесс идет один на один). Если энергии фотона недостаточно, чтобы электрон покинул молекулу хлорофилла, то он возвращается на прежний уровень, излучив тот квант, который поглотил. Красное свечение (флюоресценция) хлорофилла говорит о том, что минимальная энергия фотона, поглощаемая хлорофиллом, соответствует красному излучению. Если же энергия фотона достаточна, то электрон покидает атом магния, т.е. образуется положительно заряженный ион магния. Тогда для восстановления ион магния забирает недостающий электрон у молекулы воды (вот почему вода необходима для фотосинтеза). При этом осуществляется фотолиз воды. Его суть заключена в уравнениях:
H2O -> H++OH-
4OH- -> 2H2O+O2[[arrowup]]
Выделение кислорода – важное значение фотосинтеза. Благодаря фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции. С появлением фотосинтеза началась “вторая жизнь” планеты.
Энергия электронов постепенно превращается во внутреннюю энергию образующихся в процессе фотосинтеза веществ (углеводов при содействии ферментов). Этот факт является одним из многих проявлений закона сохранения энергии. “Ночью” молекулы хлорофилла “отдыхают” (темновая фаза). Можно задать на уроке вопрос: почему фотосинтез происходит только на свету, ведь излучение, в частности тепловое, попадает на листья растений и ночью? С этим вопросом ребята обычно справляются очень быстро.
Ведь уже говорилось о том, что минимальная энергия излучения, достаточная для фотосинтеза, это энергия “красных” квантов. Значит, энергии меньше этой, как у тепловых лучей, недостаточно для перевода электронов на более высокую орбиту. А не означает ли это, что увеличение частоты излучения улучшит процесс фотосинтеза? Например, использование ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Этот вопрос создает на уроке проблемную ситуацию, активизирует логическое мышление учащихся. Они стараются рассуждать, доказывать свою точку зрения. После споров по этому вопросу делаем вывод: увеличение частоты излучения приводит к возрастанию энергии квантов, поглощение этих квантов растением вызывает разрыв химических связей, что способствует изменению конфигурации атомов гена и, следовательно, изменению генетической программы. В результате всего этого происходит мутация живых организмов (что бывает в зонах радиоактивного загрязнения). Таким образом, избыток энергии, как и ее недостаток, очень сильно влияет на процесс фотосинтеза. Полезным будет обсуждение на уроке информации, взятой из учебника биологии 11-го класса, об экологической пирамиде и различных цепях питания. Важно подчеркнуть, что все они начинаются с растений. И процесс фотосинтеза играет при этом наиважнейшую роль.
Далее можно перейти к рассмотрению других фотохимических процессов в природе и технике. Например, вспомнить о механизме зрения. Он основан на квантовых свойствах света и его химическом действии. Зрительный пигмент родопсин состоит из ретиналя (альдегида витамина А) и белка опсина. Ретиналь имеет две изомерные формы: цис- и трансформу. Под действием кванта света происходит выпрямление цисформы ретиналя, это вызывает зрительный сигнал, который поступает в мозг. Выходит, мы видим не глазами, а мозгом. Обьяснение механизма зрения (биологического процесса) стало возможным только с зарождением в физике квантовой теории света. Можно обсудить с ребятами тот факт, что на фотографиях, сделанных со вспышкой, глаза получаются красными, или почему глаза кошек и собак светятся в темноте. Предложите ребятам вопрос: почему глаз не реагирует на инфракрасное излучение? Можно пофантазировать с учениками – каким бы мы воспринимали окружающий нас мир, если бы могли видеть инфракрасное и ультрафиолетовое излучение? Обычно дети начинают убеждать учителя в том, что мы получали бы больше информации об окружающем нас мире, ведь расширился бы диапазон частот. На самом деле инфракрасные лучи нашего собственного тела не давали бы воспринимать свет от других предметов (собственное тепловое излучение окутывает нас, как кокон). А ультрафиолетовые лучи могли бы разрушить зрительные рецепторы глаза, так как их энергия избыточна. Не случайно показатель преломления хрусталика глаза очень близок к показателю преломления стекла. Школьникам известно свойство стекла поглощать ультрафиолетовые лучи. По этой причине хрусталик глаза действует подобно стеклу. Таким образом, обращаем внимание ребят на то, что природа очень мудро поступила, позволив нам воспринимать самое узкое “окно” во всем диапазоне излучений – “окно” видимого света. Далее можно перейти к обьяснению процесса фотографии, а также вспомнить о выцветании красок и тканей. Можно показать на уроке холст обычный, натуральный и отбеленный на солнце. В старину именно так отбеливали ткани. В конце урока можно порешать очень простые, но полезные задачи следующего типа:
1. Ежегодно в процессе фотосинтеза растения поглощают энергию от Солнца, равную 16 *1020 Дж. На сколько увеличится масса биосферы за счет этого поглощения?
(Расчет показывает – приблизительно на 20 тонн. Этот результат очень впечатляет учеников).
2. Фотосинтез в зеленых листьях происходит при поглощении красного света с длиной волны 680 нм. Вычислите энергию соответствующих фотонов.
Вычислили? Однако для соединения одной молекулы углекислого газа с одной молекулой воды необходимо не меньше трех фотонов. Об этом очень точно сказал академик, физик и химик, исследователь в области фотохимии и фотосинтеза Теренин Александр Николаевич: “Самое замечательное состоит в том, что лист способен использовать продуктивно даже такие мелкие порции энергии, как кванты красного света, присутствующие в большом количестве в солнечной радиации, но сами по себе не обладающие фотохимической активностью…”2.
3. Для уничтожения микробов в операционных используются бактерицидные лампы (ультрафиолетовые). Вычислите энергию кванта излучения такой лампы при длине волны 250 нм.
Оказывается, этой энергии достаточно, чтобы вызвать разрушение микроорганизмов.
Также огромный интерес у ребят вызывают некоторые примеры информативного характера. Так, для образования 180 кг глюкозы расходуется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 90 г каменного угля. В результате фотосинтеза в течение года на Земле образуется 3 *1011 тонн связанного углерода, в котором запасается энергии, в пять раз превышающей расход ее человечеством за все время его существования (это около 1,3 *1022 Дж). Можно вспомнить и о круговороте углерода в природе.
ыше было отмечено, что такой физико-химико-биологический урок в интегрированной форме ведут три учителя. Главная роль отводится физику, который формулирует цель и задачи урока, обьясняет процесс поглощения фотонов молекулой хлорофилла с точки зрения квантовой теории, процесс фотографии, руководит обсуждением вопросов (об удалении электронов от ядра при поглощении кванта энергии, о необходимой и достаточной для фотосинтеза частоте излучения) и решением задач в конце урока. Биолог может более подробно рассказать об участниках процесса фотосинтеза, строении хлоропластов, об экологической пирамиде и цепях питания (и то, и другое начинается с растений), о механизме зрения. Учитель химии дополняет урок демонстрацией фотохимических реакций, обьяснением фотолиза воды и темновой фазы фотосинтеза, информацией о выцветании красок и тканей.
При изучении явлений природы из всех вопросов наиболее важен вопрос “Почему?”. Именно этот вопрос помогает докапываться до сути процессов, активизирует познавательную, исследовательскую деятельность, развивает логическое и аналитическое мышление.
Многие гениальные ученые пытались построить единые теории для описания явлений природы. Так появились механическая картина мира на основе механики Ньютона, электромагнитная картина мира (электродинамика Максвелла). Великий Эйнштейн более двадцати лет пытался построить единую теорию поля. Однако все его попытки окончились неудачей. Этот вопрос решается учеными до сих пор. “Великим обьединением” назвали физики теорию, которая должна дать обьяснение трем взаимодействиям – электромагнитному, слабому и сильному. Последнее время многие теоретики пытаются создать теорию суперобьединения – единую картину всех четырех взаимодействий: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Интересное исследование провели американские ученые: геофизик Роберт Хейзен и физик Джеймс Трефил. Они организовали для студентов всех специальностей курс “Великие идеи в науке”, в котором пытались свести наиболее фундаментальные законы природы до кратких тезисов. В результате получился список их двадцати научных истин.3
Ребятам будет интересно узнать о самых главных положениях отдельных наук. Например, вся химия заложена в двух фразах:
1) атомы склеиваются электронным “клеем”; 2) поведение вещества зависит от того, какие атомы входят в его состав и как они расположены. Биология сводится к четырем аксиомам: 1) все живое состоит из клеток; 2) все живое основано на одном генетическом коде; 3) все формы жизни появились в результате естественного отбора; 4) все живое связано между собой. Науки о Земле: 1) поверхность Земли постоянно изменяется; 2) все процессы на Земле происходят циклами. Физике с астрономией отводится пять фраз: 1) ядерная энергия выделяется при превращении массы в энергию; 2) атомы, из которых состоит все, сами состоят из кварков и лептонов; 3) звезды рождаются, живут и умирают, как и все остальное в мире; 4) Вселенная расширяется; 5) законы природы едины для любого наблюдателя (суть теории относительности Эйнштейна). Безусловно, этот список может вызвать споры, но согласитесь, что идея американских ученых очень интересна. Можно предложить ребятам дискуссию по этому вопросу.
Анна КУШКО,
учитель физики, зав. кафедрой естественных наук гимназии N 1528
Зеленоград
Комментарии